JPS6037176B2 - Surface alloying and heat treatment methods - Google Patents
Surface alloying and heat treatment methodsInfo
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- JPS6037176B2 JPS6037176B2 JP52100210A JP10021077A JPS6037176B2 JP S6037176 B2 JPS6037176 B2 JP S6037176B2 JP 52100210 A JP52100210 A JP 52100210A JP 10021077 A JP10021077 A JP 10021077A JP S6037176 B2 JPS6037176 B2 JP S6037176B2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
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- B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
- B23K35/286—Al as the principal constituent
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Description
【発明の詳細な説明】
多くの工業的用途においては、安価で軽量の材料がコア
を構成している物品を製造することが望ましい。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In many industrial applications, it is desirable to produce articles whose cores are made of inexpensive, lightweight materials.
このような材料は典型的にはアルミニウムを含む非同素
金属である。非同素金属とかはこではRc25以下の硬
度を有する変態によらないで硬化しうる金属を意味する
。このような物品の表面はまたコァ材料自体によって与
えられない物理的性質を持たなければならない。このよ
うな物理的特性としては高い硬度、高い強度、高温耐摩
耗性および耐食性がある。非同素金属のコアに影響を及
ぼすことなく精密に選択された表面ゾーンにおいてこの
ような性質を得るためにある形態の新しい表面処理技術
が開発されなければならない。Such materials are typically non-allotropic metals including aluminum. Non-allotropic metal means a metal that has a hardness of Rc25 or less and can be hardened without undergoing transformation. The surface of such articles must also have physical properties not provided by the core material itself. Such physical properties include high hardness, high strength, high temperature wear resistance, and corrosion resistance. Some form of new surface treatment technique must be developed to obtain such properties in precisely selected surface zones without affecting the non-allotropic metal core.
すなわち、これは現在既知の表面処理技術の適用では十
分経済的に達成できない。既知の処理技術には次のもの
が含まれる。‘a)浸炭または窒化により表面ゾーンを
浸潤すること、{b}表面ゾーンの凝固相をより硬いも
のに変態させること、(c’被膜を付着させること、(
d’物品全体を合金化または熱処理すること。窒化と浸
炭は鉄系基体には適用されるが、非鉄系材料には適用で
きない。変態硬化は鉄系基体ではきわめて有効に適用さ
れるが、アルミニウムその他の非同素材料には適用でき
ない。付着した被膜は高価であり耐久性が不十分である
。物品全体の処理はェネルギの浪費であり、生産性が低
くかつコアと表面ゾーン間の特性の差を得ることができ
ない。たとえば、アルミニウム物品などの場合には、先
行技術では主として物品全体の析出硬化が使用された。
この方法は高いコスト、変形および低い生産性を含む多
くの理由により不満足である。アルミニウムの表面領域
処理に関する研究はほとんどまたは全く行なわれておら
ず、またこのような表面処理技術における因子の1つと
して高度に集中されたェネルギビームを利用することに
関する研究はr打なわれてし、ない。高い強さのェネル
ギ熱源は溶接、切削、穿孔の目的で、ある場合には鉄系
材料の表面硬化の目的で使用されてきた。That is, this cannot be achieved economically enough by applying currently known surface treatment techniques. Known processing techniques include: 'a) infiltrating the surface zone by carburizing or nitriding, {b} transforming the solidified phase of the surface zone into a harder one, (c' depositing the coating, (
d' Alloying or heat treating the entire article. Nitriding and carburizing are applicable to ferrous substrates, but not to non-ferrous materials. Transformation hardening is very effective for ferrous substrates, but not for aluminum and other non-uniform materials. The deposited coating is expensive and has insufficient durability. Processing the entire article is energy consuming, has low productivity and does not allow for the differentiation of properties between the core and surface zones. For example, in cases such as aluminum articles, the prior art primarily used precipitation hardening of the entire article.
This method is unsatisfactory for many reasons, including high cost, deformation, and low productivity. Little or no research has been conducted on surface area treatment of aluminum, and no research has been conducted on the use of highly concentrated energy beams as a factor in such surface treatment techniques. do not have. High intensity energy heat sources have been used for welding, cutting, drilling purposes, and in some cases for surface hardening of ferrous materials.
高ェネルギビームは鉄系物品の非常に浅い表面領域を溶
融するために使用することができ、これにより溶融材料
がェネルギビ−ムを除去したときにより硬い相に変態し
、物品が自己急冷媒質としての役割をする。しかしなが
ら、鉄系材料を表面硬化するために高ェネルギビームを
使用する技術は、非鉄系特に非同素材料に適用される場
合とは完全に異なっている。高ェネルギビームの使用に
よりアルミニウムのような非同素金属に制御され深さま
でかつ制御された割合で合金成分を導入する概念に関す
る研究はほとんどまたは全く行われていない。High energy beams can be used to melt very shallow surface areas of ferrous articles, allowing the molten material to transform to a harder phase when the energy beam is removed, allowing the article to act as a self-quenching medium. do. However, the technique of using high energy beams to case harden ferrous materials is completely different from that applied to non-ferrous, particularly non-ferrous materials. Little or no research has been conducted into the concept of introducing alloying elements to non-allotropic metals, such as aluminum, to controlled depths and at controlled rates through the use of high energy beams.
このような研究の不足は、このようなビームの有用性は
アルミニウムに適用したとき次の理由により制限される
という既存の概念に起因するものと考えられる。すなわ
ち、‘aにのような材料では溶融により硬化変態相が得
られないこと、‘b)炉熱処理による過去の経験では多
くの非同素金属が硬化されうる硬度レベルに限度がある
ことが示されたこと、‘c}如何にして変形を生じない
局部ゾーンを深く硬化するかに関する研究に対する一般
的要望がないこと、‘d’通常は浅い非摩耗性表面であ
る一般的要望に対する別の技術、たとえば、基体を変形
せずかつ使用上非常に融通性のあるプラズマスプレィ技
術の有効性に関する研究不足。かくして、高度に集中さ
れたェネルギビームの有用性はアルミニウムなどを含む
用途には考慮されなかった。特にアルミニウムに関して
は、現在の技術では次の欠点のうちの1つ以上が生じう
る。This lack of research is believed to be due to the existing concept that the usefulness of such beams is limited when applied to aluminum due to the following reasons: That is, 'a) materials such as these do not yield a hardened transformed phase by melting, and 'b) past experience with furnace heat treatment has shown that there is a limit to the level of hardness at which many non-allotropic metals can be hardened. 'c} No general desire for research on how to deeply harden localized zones that do not produce deformation; 'd' Alternative techniques for the general desire to harden, typically shallow, non-abrasive surfaces. For example, there is a lack of research into the effectiveness of plasma spray techniques, which do not deform the substrate and are very flexible in use. Thus, the utility of highly concentrated energy beams has not been considered for applications involving aluminum and the like. With regard to aluminum in particular, current technology may suffer from one or more of the following drawbacks.
‘a}硬化処理の結果として物品が高度に変形しうろこ
と、‘b}処理すべき部分の表面形状が不規則であり、
したがって均一な処理ができないことまたは物品が異な
る断面部分を有し、各異なる断面部分が硬化処理に別様
に応答して非均一性を生ずること、‘c)アルミニウム
物品の硬化コストが高価な装置または労力を必要とする
ために比較的高いこと、‘d’熱処理の方法が浅い均一
な硬化層を正確に達成できないこと、{e’処理の方法
が所定表面にわたって表面硬化の選択的な精密パターン
を達成できないこと、{0先行技術の方法は大型物品の
小区域を経済的に硬化しえないこと、‘g洗行技術の方
法は複雑な物品内部の小区域を硬化しえないこと、{h
ー先行技術の方法は隣接部分を損傷することなく使用し
えないこと、‘i}先行技術の方法では急冷が困難であ
ること、‘i}先行技術の方法はきわめて高い量および
速度の生産に適応しえないこと。したがって、上記諸問
題を解決しかつ非同素材料の表面処理技術を改良して適
切な制御によりすべての所望の物理的性質の達成を容易
にするところの、アルミニウム物品などの表面処理方法
に対する要望が存在する。この発明の主目的は、経済性
の向上を特に特徴とし、処理方法に起因する変形を解消
または低減し、不規則なかつ断面形状の異なる物品に適
し、かつ先行技術の処理には通常感′○しない種々の金
属基体の加工に有効な、金属物品の表面硬化を達成する
改良方法を提供することである。'a} The scales of the article are highly deformed as a result of the hardening process; 'b} The surface shape of the area to be treated is irregular;
Therefore, the lack of uniform processing or the fact that the article has different cross-sectional sections and each different cross-sectional section responds differently to the hardening process, resulting in non-uniformity,'c) the cost of curing aluminum articles is expensive equipment; or relatively expensive due to the labor required; 'd' heat treatment methods cannot accurately achieve a shallow, uniform layer of hardening; {e' treatment methods provide a selective precision pattern of surface hardening over a given surface. {0 Prior art methods cannot economically cure small areas of large articles; Washing technology methods cannot cure small areas inside complex articles; h
- The prior art method cannot be used without damaging adjacent parts; 'i) The prior art method is difficult to quench; 'i) The prior art method is not suitable for very high quantities and rates of production. Not being able to adapt. Therefore, there is a need for a method for surface treatment of aluminum articles etc. that solves the above problems and improves surface treatment techniques for non-uniform materials to facilitate the achievement of all desired physical properties with proper control. exists. The main object of the invention is, in particular, to improve economy, to eliminate or reduce deformations caused by processing methods, to be suitable for articles of irregular and different cross-sectional shape, and to be suitable for articles of irregular and different cross-sectional shape, and to be suitable for the processing of the prior art. It is an object of the present invention to provide an improved method for achieving surface hardening of metal articles, which is effective for processing various metal substrates that do not require a metal article.
この発明の別の目的は、本質的に局部的な鋳込みを構成
し、非同素金属物品の精密に選択した露出ゾーンを処理
して前記ゾーンに従来得られなかった物理的性質を高い
生産性速度で達成する方法を提供することである。Another object of the present invention is to process precisely selected exposed zones of non-allotropic metal articles to provide previously unobtainable physical properties to said zones in a highly productive manner that constitutes an essentially localized casting process. The goal is to provide a way to achieve speed.
この発明の別の目的は、適当な割合の合金成分の存在に
おける制御された再溶融により非同素金属の選択表面ゾ
ーンの物理的特性を改良する汎用方法を提供することで
あり、これらの特性は所望の用途に応じて向上される。Another object of this invention is to provide a versatile method for improving the physical properties of selected surface zones of non-allotropic metals by controlled remelting in the presence of appropriate proportions of alloying constituents, which improve these properties. can be improved depending on the desired application.
この発明の別の目的は、幅と深さが制御された合金富化
表面領域を一体化することにより金属を硬化することで
ある。上記目的を達成する方法は以下の要件から構成さ
れる。Another object of the invention is to harden metals by integrating alloy-enriched surface regions of controlled width and depth. The method to achieve the above objective consists of the following requirements.
{a}物品との界面において少なくとも10,000ワ
ット/地のェネルギレベルを提供する高度に集中された
ェネルギビームを使用し、ビームは有効により大きい制
御ゾーンをカバーするために広げられまたは振動させら
れかつ必要に応じて基体の限定ゾーンを急速に溶融し、
溶融金属中に乱流を発生して合金化を促進するために使
用され、‘b}集中ェネルギビームを比較的急速に移動
させ、前記限定ゾーンからビームが除去されたとき、周
囲の非同素材料の魂体が伝導により加熱されたゾーンを
急冷するようにし、{c漠中ェネルギビームと非同素物
品の界面に1種以上の合金剤を提供し、ビーム加熱ゾ−
ンが前記合金剤で飽和され、必要に応じて、合金化ゾー
ンと基金属間の金属結合を助長する金属間化合物が形成
されるようにし、‘dーェネルギビームとしてレーザを
使用し、レーザビームのパワーレベルをビームの移動速
度に関して調整し、所定深さのビーム加熱ゾーンを与え
、‘e)合金剤はプラズマ、ブラシなどにより予めスプ
レィされたおよび/または基金属上に適正な樹脂と共に
供給された粉末金属材料として供給され、あるいはビー
ムと基金属の界面に隣接するビーム中へ合金用ワイヤま
たはフオィルを送給することによって供給され、これに
より基金属が合金剤と同時に溶融されるようにし、{f
’基体としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使
用しかつアルミニウムと金属間化合物を形成するための
親和力を有する合金剤を使用する。この発明の一般的概
念は、非同素金属(十分に高い熱伝導度を持つもの)か
ら構成された物品の外面領域に沿った処理ゾーンにおい
て、物品の残部に悪影響を及ぼすことなく向上した物理
的性質を得ることである。{a} Using a highly concentrated energy beam that provides an energy level of at least 10,000 watts/ground at the interface with the article, the beam can be spread or oscillated to effectively cover a larger control zone and as needed rapidly melts the confined zone of the substrate in response to
Used to generate turbulence in molten metal to promote alloying, 'b} moving a concentrated energy beam relatively rapidly and, when the beam is removed from the confined zone, surrounding dissimilar materials. by providing one or more alloying agents at the interface of the intermediate energy beam and the non-allotropic article to rapidly cool the conduction-heated zone;
using a laser as the energy beam and adjusting the power of the laser beam so that the alloying zone is saturated with the alloying agent and, if necessary, an intermetallic compound is formed that promotes metallic bonding between the alloying zone and the base metal. the level is adjusted with respect to the speed of movement of the beam to provide a beam heating zone of a predetermined depth;'e) the alloying agent is a powder that has been pre-sprayed by plasma, brush etc. and/or has been applied with the appropriate resin onto the base metal; provided as a metallic material or by feeding an alloying wire or foil into the beam adjacent the beam-to-base metal interface so that the base metal is melted simultaneously with the alloying agent;
'Use aluminum or an aluminum alloy as a substrate and use an alloying agent that has an affinity for forming intermetallic compounds with aluminum. The general concept of the invention is that in a treatment zone along the external surface area of an article composed of a non-allotropic metal (of sufficiently high thermal conductivity), improved physical properties can be achieved without adversely affecting the rest of the article. It is to obtain a certain characteristic.
処理ゾーンはコスト低減のために物品全体に比較してき
わめて小さいものであるように配置されるご この方法
は本質的に加熱と冷却からなる。加熱は高ェネルギビー
ムを集中し、このビ−ムを、物品界面で測定した所定の
走査速度およびェネルギレベルで、物品の表面の限定ゾ
−ンに向けて指向させることからなり、これにより前記
ゾーンの金属を十分に速い速度で溶融し、これにより物
品の残部を加熱効果から隔離する。冷却は高ヱネルギビ
ームを前記ゾーンから除去するとともに、前記物品の質
量をビーム加熱ゾーンに関して適当な割合にし、これに
より自己急袷速度を与えるようにすることからなり、こ
れにより微粒組織および過飽和固溶体が得られる。過飽
和固港体は金属の制御された希釈のために各合金成分を
前記ゾーン内へ拡散させることによりまたは過飽和のた
めに最低レベルの固有合金成分を有する合金化基金属を
選択することによって得られる。このような方法を実施
することによって得られる最も注目すべき利点は、アル
ミニウムのような比較的経済的な軽量材料を利用する能
力であり、かつ高価な材料の使用を隔離することにより
物理的性質の向上を選択した小麦面ゾーンに限定する能
力であり、これによりすぐれたコスト/性能比・が得ら
れる。The processing zone is arranged so that it is very small compared to the entire article to reduce costs. This process essentially consists of heating and cooling. Heating consists of focusing a high-energy beam and directing this beam, at a predetermined scanning speed and energy level, measured at the article interface, to a defined zone on the surface of the article, thereby destroying the metal in said zone. melts at a sufficiently fast rate to isolate the remainder of the article from heating effects. Cooling consists of removing the high-energy beam from said zone and proportioning the mass of said article with respect to the beam heating zone, thereby providing a self-imbursing velocity, which results in a fine-grained structure and a supersaturated solid solution. It will be done. Supersaturated solid ports are obtained by diffusing each alloying component into the zone for controlled dilution of the metal or by selecting the alloying base metal with the lowest level of inherent alloying component for supersaturation. . The most notable advantage gained by implementing such a method is the ability to utilize relatively economical, lightweight materials such as aluminum, while isolating the use of expensive materials and reducing physical properties. The ability to limit the improvement to selected wheat surface zones provides an excellent cost/performance ratio.
表面合金化
一般的概念を使用する重要な方法態様の1つは物品上に
合金化表面ゾーンを与える。One important method aspect of using the surface alloying general concept is to provide alloyed surface zones on articles.
表面合金化は物品の選択外面ゾーンならびに前記ゾーン
に予めまたは同時に置かれた合金剤を急速に溶融するこ
とによって達成される。合金剤はビームの作用に起因す
る熱的活性により溶融基金属に混入する。高ェネルギビ
−ムを急速に除去すると、自己急冷作用により金属間化
合物が分布した微粒状固港体合金が生成する。このよう
な均質表面合金領域の生成は新規なものである。その理
由は、少なくともある研究者はこのような高熱伝導性非
同素金属は高ェネルギビーム露出の結果として強度を失
なうと考えたからである。またある他の研究者はビーム
加熱ゾーンは自己急冷を可能にするに十分に限定されな
いと考えたかもしれない。ビーム加熱ゾーンは、必要な
加熱速度および自己急冷速度をぎせいにすることなく、
きわめて正確に限定され、隔離され、制御されうろこと
が見出された。表面合金化を実施する好適な態様につい
て詳細に説明するために、第1〜6図を参照する。Surface alloying is accomplished by rapidly melting selected outer surface zones of the article as well as alloying agents previously or simultaneously placed in said zones. The alloying agent is mixed into the molten base metal by thermal activation due to the action of the beam. Rapid removal of the high-energy beam produces a fine-grained solid port alloy with a distribution of intermetallic compounds due to the self-quenching effect. The creation of such homogeneous surface alloy regions is novel. This is because at least some researchers believed that such highly thermally conductive non-allotropic metals would lose strength as a result of high-energy beam exposure. Some other researchers may have thought that the beam heating zone was not sufficiently confined to allow self-quenching. The beam heating zone provides the required heating and self-quenching rates without compromising
It has been found that a very precisely defined, isolated and controlled space can be created. Reference is made to Figures 1-6 for a detailed description of the preferred manner in which surface alloying is carried out.
{1} 本方法の最初の準備段階は、高ェネルギビーム
による急速加熱に感応し、容易に溶融し、かつ自己急冷
のための冷却中熱を良好に伝導する基材料を選択するこ
とである。多種類の金属材料を使用することができるが
、この態様は好適にはアルミニウム合金から本質的にな
る基金属で実施される。基材料は少なくとも0.2&a
l/仇・sec・℃の熱伝導度を持つべきである。十分
な熱伝導度を持つ他の非同素金属としてはマグネシウム
、銅、亜鉛、チタンがある。‘2’この好適な基金属は
固綾体および金属間化合物を形成するために基金属と親
和力を持つ合金成分の選択および作用によって表面合金
化される。{1} The first preliminary step in the method is to select a base material that is sensitive to rapid heating by the high-energy beam, melts easily, and conducts heat well during cooling for self-quenching. Although a wide variety of metallic materials can be used, this embodiment is preferably carried out with a base metal consisting essentially of an aluminum alloy. The base material is at least 0.2&a
It should have a thermal conductivity of 1/unit・sec・℃. Other non-allotropic metals with sufficient thermal conductivity include magnesium, copper, zinc, and titanium. '2' This preferred base metal is surface alloyed by the selection and action of alloying components that have an affinity for the base metal to form solid bodies and intermetallic compounds.
アルミニウムまたはアルミニウム合金の場合には、合金
成分は銅、ニッケル、タングステン、モリブデン、ジル
コニウム、バナジウム、マグネシウム、亜鉛、クロム、
コバルト、マンガンおよびチタンからなるグループから
選択することができる。このような合金成分の2種以上
を添加してもよい。銅はアルミニウム合金を硬化するの
に最も有効な合金成分の1つである。ニッケルは合金状
態において高温でアルミニウムの軟化を防止する。シリ
コンは、金属間化合物を形成しないが、低シリコンコア
と耐摩耗性高シリコン表面とを生成するためにアルミニ
ウム合金において有用である。グラフアィトは、金属間
化合物を形成しないが、合金化した表面区域において高
温固体潤滑剤として有用である。マグネシウム用の合金
成分としては亜鉛、希土類金属、ジルコニウム、マンガ
ン、アルミニウムがある。鋼用の合金成分としては鉛、
亜鉛、アルミニウム、スズ、鉄、ニッケル、シリコン、
マンガン、ベリリウム、ジルコニウム、クロムがある。
‘3} 次の段階は合金成分を基金属の選択ゾーンに付
着させ、沈着させまたは前記ゾーンに隣接するビームに
さらすことである。In the case of aluminum or aluminum alloys, the alloying components are copper, nickel, tungsten, molybdenum, zirconium, vanadium, magnesium, zinc, chromium,
It can be selected from the group consisting of cobalt, manganese and titanium. Two or more of such alloy components may be added. Copper is one of the most effective alloying components for hardening aluminum alloys. Nickel prevents aluminum from softening at high temperatures in its alloyed state. Silicon does not form intermetallic compounds, but is useful in aluminum alloys to produce a low silicon core and a highly wear resistant silicon surface. Graphite does not form intermetallic compounds, but is useful as a high temperature solid lubricant in alloyed surface areas. Alloying components for magnesium include zinc, rare earth metals, zirconium, manganese, and aluminum. Alloy ingredients for steel include lead,
zinc, aluminum, tin, iron, nickel, silicon,
These include manganese, beryllium, zirconium, and chromium.
'3} The next step is to apply the alloying components to selected zones of the base metal and expose them to a beam that is deposited or adjacent to said zones.
これを達成する一方法は適当な機構12により基金属1
1上に合金層10を沈着させることであり(第1図参照
)、前記機構には粉末合金金属のプラズマ流によるスプ
レィが含まれる。好適な態様は合金成分からなるワイヤ
を使用し、このワイヤをビームに送入することである(
第6図参照)。さらに別の方法は樹脂と粉末合金成分と
を混合し、この混合物がビームの通路中に置くことであ
る。合金成分がビームの影響を受けるように付着される
ならば、塗装法を使用することもできる。プラズマ技術
によりスプレィすべき合金成分は金属粉末の混合物であ
りうるしまたは独立した層として施すことができる。混
合粉末は典型的には非常に高い温度にさらされかつ噴射
速度さらされるが、この両条件はこの発明にとつて重要
ではない。合金層の深さは基金属の溶融ゾーンの所定合
金濃度を得るように制御されるべきである。One way to achieve this is to attach the base metal 1 by a suitable mechanism 12.
1 (see FIG. 1), the mechanism involves spraying powdered alloy metal with a plasma stream. A preferred embodiment is to use a wire consisting of an alloy component and feed this wire into the beam (
(See Figure 6). Yet another method is to mix the resin and powdered alloy components and place this mixture in the path of the beam. Painting methods can also be used if the alloying components are deposited under the influence of the beam. The alloying components to be sprayed by plasma technology can be mixtures of metal powders or can be applied as separate layers. Mixed powders are typically exposed to very high temperatures and jet velocities, but both conditions are not critical to this invention. The depth of the alloy layer should be controlled to obtain a predetermined alloy concentration in the fusion zone of the base metal.
合金成分(基金属に添加したものでもまたは基金属固有
のものであっても)は再溶融にさし、して少なくとも飽
和固溶体を形成するために基金属溶融ゾーンを富化すべ
きである。一般に、表面合金化は処理した物品の用途に
応じて3つの物理的特性、すなわち、耐摩耗性、疲労寿
命および耐食性の1つの向上を主目的としている。物品
の処理ゾーンに最適の耐摩耗性を与えるためには、合金
成分は溶融基金属の前記ゾーンに1:1〜1:20の重
量比で添加されるべきである。これは溶融基金属の厚さ
(深さ)に等しいかまたはその1/20の厚さの合金被
膜を施すことによって大体に達成される。この範囲の比
により凝固にさし、して溶融ゾーン中の金属間化合物が
生成され、この化合物は高ェネルギビーム再溶融により
非同素基金属を硬化するためのこの発明の主要機構を構
成する。選択した表面処理ゾーンに最適の疲労寿命を与
えるためには、該比は1:10〜1:20の範囲内にあ
るべきであり、これにより合金含量が希薄になりかつ金
属間化合物の生成を回避するとともに析出硬化または時
効硬化を促進する。The alloying components (whether added to the base metal or inherent in the base metal) should be subjected to remelting to enrich the base metal fusion zone to form at least a saturated solid solution. In general, surface alloying is primarily aimed at improving one of three physical properties depending on the application of the treated article: wear resistance, fatigue life, and corrosion resistance. In order to provide optimum wear resistance to the processing zone of the article, the alloying components should be added to said zone of molten base metal in a weight ratio of 1:1 to 1:20. This is generally achieved by applying an alloy coating with a thickness equal to or 1/20th the thickness (depth) of the molten base metal. Ratios in this range lead to solidification and the formation of intermetallic compounds in the melt zone, which constitute the primary mechanism of this invention for hardening non-allotropic metals by high energy beam remelting. In order to give the selected surface treatment zone an optimum fatigue life, the ratio should be in the range 1:10 to 1:20, which will dilute the alloy content and prevent the formation of intermetallic compounds. Avoid and promote precipitation hardening or age hardening.
選択した表面処理ゾーンの耐食性を向上するためには、
該比は2:1以上であるべきである。基金属が390ま
たは355のようなアルミニウム合金であるときには、
合金成分として実質的に純粋なアルミニウムを使用する
ことが好ましい。純アルミニウムは前記アルミニウム合
金より高い耐食性を有する。プラズマ沈着を実施するた
めの典型的な装置は第13図に示されている。To improve the corrosion resistance of the selected surface treatment zone,
The ratio should be greater than or equal to 2:1. When the base metal is an aluminum alloy such as 390 or 355,
Preferably, substantially pure aluminum is used as the alloying component. Pure aluminum has higher corrosion resistance than the aluminum alloys. A typical apparatus for performing plasma deposition is shown in FIG.
この装置はガスァークチャンバ16を含むプラズマガン
15を使用し、チャンバ16は真直なボア部分17と発
散部分18からなる出口スロートを有する。ガスは供給
源31からガスチャンバ16の左側部分に導入され、ア
ークはアーク電力供給源19によりチャンバを横切って
発生される。金属粉末と耐火物粉末は粉末送給器20か
らガンに導入され、子熱管21へ運ばれ、子熱管は粉末
予熱電力源22によって加熱される。粉末はついで軽度
に傾斜した(通路の中心線25に関し24において)通
路23を介して出口スロート内の正確な位置に運ばれ、
真直ボア部分と発散部分の接合部に正確に入る。プラズ
マガンから流れは被覆すべき目標物品26に指向される
。被覆すべき物品は可動支持体27によって迫特され、
広い区域にわたって粉末が沈着されるようになっている
。物品26はアーク電力供給源28を介して特定の電位
に維持され、プラズマスプレイ粒子を受けるようになっ
ている。物品全体とプラズマジェットは真空ポンプ30
により脱気されたチャンバ29内に収容されている。■
第2図に示すように、次の段階は高ェネルギビームを
発生し、指向させかつ移動させることにより溶融するこ
とである。高ェネルギビームとはここでは処理すべき金
属との界面において10,000ワット/地を超える平
均電力密度を有する放射ヱネルギ(発生源に関係なく)
のコラムを意味する。この段階においては、十分な電力
の高ェネルギビーム32を発生し、このビームを物品の
選択した露出ゾーン33に指向させ、ついで所定路に沿
って特定速度で移動させ、これによりビームと合金層1
0の選択接触ゾーンを溶融するだけでなく、基金属11
の隣接部分の所定部分34も溶融する。ビームは2つの
ゾーン、すなわち、溶融しないで熱影響を受ける第一の
ゾーンと、第一のゾーン内の溶融する第二のゾーンとに
影響を及ぼす。レーザ光線は最初は反射によりやや妨害
されて露出アルミニウム表面に入る。この妨害は、‘a
}熱が表面を分解したときに溶融キャビティが形成され
、これにより光線の集中が可能になることおよび(b}
粉末合金被覆を施すことによって低減される。レーザビ
ームは高ェネルギとの界面において物品に入るが、集中
されないビームの場合にはその強さの少なくとも一部が
物品内の反射、拡散および屈折によって失なわれる。し
かしながら、これは浅いビーム影響ゾーンの制御には有
利である。基金属の加熱速度は比較的速くし、{a}溶
融スポットプール内に乱流が発生されかつ{b’高ェネ
ルギピームの除去により急速冷却が促進されるようにし
なければならない。The apparatus uses a plasma gun 15 that includes a gas arc chamber 16 having an exit throat consisting of a straight bore portion 17 and a diverging portion 18 . Gas is introduced into the left side portion of gas chamber 16 from source 31 and an arc is generated across the chamber by arc power source 19. Metal powder and refractory powder are introduced into the gun from a powder feeder 20 and conveyed to a heating tube 21, which is heated by a powder preheating power source 22. The powder is then conveyed to a precise location within the exit throat via a slightly inclined (at 24 with respect to the centerline 25 of the passage) passage 23;
Accurately enters the joint between the straight bore part and the diverging part. From the plasma gun, flow is directed to the target article 26 to be coated. The article to be coated is pressed by a movable support 27;
The powder is deposited over a large area. Article 26 is maintained at a particular electrical potential via arc power supply 28 and subjected to plasma spray particles. The whole article and the plasma jet are vacuum pumped 30
It is housed in a chamber 29 that is evacuated by air. ■
As shown in FIG. 2, the next step is to generate, direct and move a high energy beam to cause melting. A high-energy beam is defined as a radiant energy beam (regardless of its source) that has an average power density of more than 10,000 watts/ground at the interface with the metal to be treated.
column. This step involves generating a high-energy beam 32 of sufficient power, directing the beam to a selected exposure zone 33 of the article, and then moving it along a predetermined path at a specified speed, thereby causing the beam to
0 as well as the base metal 11
The predetermined portion 34 of the adjacent portion is also melted. The beam impacts two zones: a first zone that does not melt and is thermally affected, and a second zone that melts within the first zone. The laser beam initially enters the exposed aluminum surface with some interference from reflection. This disturbance is 'a
}A melt cavity is formed when the heat disintegrates the surface, which allows for the concentration of the light beam, and (b}
Reduced by applying powder alloy coating. The laser beam enters the article at the interface with the high energy, but in the case of an unfocused beam at least some of its intensity is lost due to reflection, diffusion and refraction within the article. However, this is advantageous for controlling shallow beam influence zones. The heating rate of the base metal must be relatively fast so that {a} turbulence is generated in the molten spot pool and {b' the removal of high energy beams promotes rapid cooling.
基金属の吸収特性は基金属内へのビームの侵入を助長し
、これにより急速加熱を促進するために制御されなけれ
ばならない。これはしーザビームまたは電子ビームの使
用を必要とする。実験により、0.15肋(0.006
インチ)の厚さ35を持つ沈着合金層10(シリコン、
銅、ニッケルおよび炭素からなるもの)を溶融しかつ隣
接基金属1 1を0.64凧(0.025インチ)の深
さ36まで溶融するためには、物品にその界面37にお
いて付与されるェネルギは約70,000ワット/地で
あり、界面におけるビームスポットの直径は2側(0.
08インチ)でなければならないことが見出された。こ
れは装置38(第9〜11図に示されているもの)で発
生されるレーザビームによって得られる。表面合金化を
実施するための適正な高ェネルギレーザビームの限定は
重要である。ビームを発生する装置は3.2の/sec
(0.005iが/sec)の商業的走査速度で急速加
熱および溶融を達成するために少なくとも1〜磯Wの電
力定格を持たなければならない。IKWより低い蟹力レ
ベルでは、ビーム速度を0.25物/分(0.01イン
チ/分)まで下げればよいが、この速度は商業的には実
施できない。ビーム32は物品の外表面37の平面から
距離41の所にある点40‘こ集東されるべきである。
すなわち、ビームは物品の外表面との界面には集東され
ず、前記界面において直径39を有し、この直径は実際
には0.25〜12.7脚(0.01〜0.5インチ)
の範囲である。高ェネルギビームの電力レベル、物品の
表面37を横切るビームの走査速度または相対移動、お
よび界面におけるビームのスポットサイズの相互作用を
制御することが重要である。The absorption properties of the base metal must be controlled to facilitate penetration of the beam into the base metal, thereby promoting rapid heating. This requires the use of a laser beam or an electron beam. Through experiments, 0.15 ribs (0.006
Deposited alloy layer 10 (silicon,
(copper, nickel, and carbon) and adjacent base metals 11 to a depth 36 of 0.025 inches, energy is applied to the article at its interface 37. is about 70,000 watts/ground, and the diameter of the beam spot at the interface is on the two sides (0.
08 inches). This is obtained by means of a laser beam generated by a device 38 (shown in FIGS. 9-11). Defining a suitable high energy laser beam to perform surface alloying is important. The beam generating device is 3.2/sec
It must have a power rating of at least 1 to 1 W to achieve rapid heating and melting at commercial scan rates of (0.005i/sec). At crab force levels below IKW, the beam speed may be reduced to 0.25 objects/minute (0.01 inches/minute), but this speed is not commercially viable. The beam 32 should be centered at a point 40' which is a distance 41 from the plane of the outer surface 37 of the article.
That is, the beam is not centered at the interface with the outer surface of the article, but has a diameter of 39 at that interface, which diameter is actually 0.01 to 0.5 inches. )
is within the range of It is important to control the interaction of the power level of the high energy beam, the scanning speed or relative movement of the beam across the surface 37 of the article, and the spot size of the beam at the interface.
さらに、以降に使用する「制御する」は、ビーム影響ゾ
ーンの所望の溶融速度および冷却速度を達成するために
、ビーム界面面積、走査速度およびビームェネルギレベ
ルを相関させることを意味する。界面におけるェネルギ
レベルは少なくとも10,000ワット/めであるべき
であり、界面におけるスポットサイズは0.5〜32.
3松(0.0008〜0.05平方インチ)の範囲であ
る。線速度は254〜254仇吻/分(10〜100イ
ンチ/分)の範囲内にあるべきである。これらのパラメ
ータの適正な制御により基金属中の良好な温度分布およ
び良好なしーザ表面合金化が得られる。単パスから得ら
れる合金化表面層の深さ42は所定走査速度で使用する
ェネルギ適用レベルに基本的に比例する。特定の表面合
金化材料または適用に対し走査速度と関係づけられる鰭
力レベルの正確な値は、合金被膜、基金属、および所望
の合金化表面層深さに依存する。合金化表面層すなわち
ビーム影響ゾーンの深さ42は第3図に示されている。
単パスのゾーンは半球形の充填みそ143により断面が
示されており、このゾーンは金属間化合物を含む合金化
金属の固漆体を有する。得られる合金化ゾーンの上表面
44は物品の原表面より高くなる。第4図は長手方向の
単パスの輪郭を示す。Additionally, as used hereinafter, "control" means correlating the beam interfacial area, scan rate, and beam energy level to achieve the desired melting and cooling rates of the beam influence zone. The energy level at the interface should be at least 10,000 watts/m, and the spot size at the interface should be between 0.5 and 32.
3 pines (0.0008 to 0.05 square inches). Line speed should be in the range of 10-100 inches/minute. Proper control of these parameters results in good temperature distribution in the base metal and good laser surface alloying. The depth 42 of the alloyed surface layer obtained from a single pass is essentially proportional to the energy application level used at a given scan rate. The exact value of the fin force level related to scan speed for a particular surface alloying material or application depends on the alloy coating, the base metal, and the desired alloying surface layer depth. The depth 42 of the alloyed surface layer or beam influence zone is shown in FIG.
The single-pass zone is cross-sectioned by a hemispherical filler 143 and has a solid lacquer of alloyed metal containing intermetallic compounds. The resulting upper surface 44 of the alloyed zone will be higher than the original surface of the article. FIG. 4 shows the profile of a single longitudinal pass.
物品の全表面は、{1’非集東ビームの多バスを設定す
ることによりおよび■各パスの影響ゾーンをオーバラッ
プさせ、第5図に示すようにビーム影響ゾーン45が多
数のオーバラップしたリプ46,47となって現われる
ようにすることにより、合金化表面層を与えることがで
きる。リブのオーバラップの間隔および程度は最4・ゾ
ーン深さ48を設定するために変えることができる。各
パスが広い寸法で分離され、合金化リボンまたはランド
のパターンのみが物品上に現われるようにすることも可
能であり、このような合金のランド‘ま全表面に必要な
耐摩耗性を与えることができる。さらに、ビーム影響ゾ
ーンを集東ビーム(界面に集東された)にさらし、ェネ
ルギレベルを溶融と釣合せるために脈動させることもで
きる。レーザビームを発生する好適な装置は第9図に示
されており、密閉C02ガス流回路61を含み、ガスは
ブロワ62により急速に移動させられ、熱交換器63に
より熱が除去される。The entire surface of the article can be covered by {1' by setting multiple buses of non-concentrated east beams, and ■ overlapping the influence zones of each pass, so that the beam influence zones 45 overlap in large numbers as shown in FIG. By causing the lips 46, 47 to appear, an alloyed surface layer can be provided. The spacing and degree of rib overlap can be varied to set up to 4.4 zone depths. It is also possible for each pass to be separated by a wide dimension so that only a pattern of alloyed ribbons or lands appears on the article, giving the required wear resistance to the lands or entire surface of such alloys. I can do it. Additionally, the beam influence zone can be exposed to a focused beam (centered at the interface) and pulsed to balance the melting energy level. A preferred apparatus for generating the laser beam is shown in FIG. 9 and includes a closed C02 gas flow circuit 61 with gas rapidly moved by a blower 62 and heat removed by a heat exchanger 63.
レーザ放電は電極64と65間の流路に沿って軸万向に
起こる。レーザビーム放電は完全伝送ミラー66により
前記軸方向に指向され、部分伝送ミラー67によりレー
ザ発生器ハウジングから放射される。第10図には、電
極69と70間の電気放電に対して横方向の流れ68に
よりガスからし−ザビームを発生する装置が示されてい
る。Laser discharge occurs axially along the flow path between electrodes 64 and 65. The laser beam discharge is directed in said axial direction by a fully transmitting mirror 66 and emitted from the laser generator housing by a partially transmitting mirror 67. FIG. 10 shows an apparatus for generating a gas mustard beam by a flow 68 transverse to the electrical discharge between electrodes 69 and 70.
ミラー71は部分伝送性である。第11図には、電子ビ
ーム72によりレーザを発生する装置が示されている。
サステ−ナ電極73,74は高真空中に離間配置されて
いる。電子発出器75は膜76を通して電極へ電子を送
る。ミラー77,78は協同してレーザを集め、部分伝
送ミラーを通して電子を伝送する。
‐第12図には、レーザ発生装置80からしー
ザピーム79を被処理物品81へ送る装置が示されてい
る。Mirror 71 is partially transmissive. FIG. 11 shows an apparatus that generates a laser beam using an electron beam 72. In FIG.
Sustainer electrodes 73 and 74 are spaced apart in a high vacuum. Electron emitter 75 sends electrons through membrane 76 to the electrode. Mirrors 77, 78 cooperate to collect the laser and transmit the electrons through the partial transmission mirror.
- FIG. 12 shows a device for sending a laser beam 79 from a laser generator 80 to an article 81 to be treated.
ビームはミラー82によって曲げられ、レンズ83によ
って集められ、そこには84において補助ガスが導入さ
れる。ビームオリフィス85は物品界面におけるビーム
のスポットサイズを制御する。レーザによる表面合金化
は次のような場合に特に有用である。The beam is bent by a mirror 82 and collected by a lens 83 into which an auxiliary gas is introduced at 84. Beam orifice 85 controls the beam spot size at the article interface. Laser surface alloying is particularly useful in the following cases:
{a}物品の表面が耐摩耗性、耐食性または耐熱性のた
めに特別の合金組成を必要とする場合、(bi表面の不
規則なパターンが特別の合金組成を必要とする場合、(
c}所要の合金含量が鋳造または鍛造状態では経済的に
得られない場合、{d}物品表面の異なる個所で異なる
組成が必要な場合、【e}特殊な表面と基材料間に金属
結合が望ましい場合、【f)基材料の熱影響ゾーンを最
少にすべき場合、(g)過熱による隣接部品の変形およ
び損傷を低減するために表面合金化が最少の熱入力で達
成されなければならない場合、(h)硬化表面層が高温
においても高い硬度を持つべき場合。この発明において
高ェネルギビームを発生するのに有用なさらに別の装置
が第14図に示されている。{a} If the surface of the article requires a special alloy composition for wear resistance, corrosion resistance or heat resistance, (bi If the irregular pattern of the surface requires a special alloy composition, (
c} if the required alloy content cannot be obtained economically in the cast or forged state; {d} if different compositions are required at different locations on the article's surface; [e} if a metallic bond is created between the special surface and the base material. If desired, (f) the heat-affected zone of the base material should be minimized; (g) surface alloying should be achieved with minimal heat input to reduce deformation and damage to adjacent parts due to overheating. , (h) The hardened surface layer should have high hardness even at high temperatures. Yet another apparatus useful for generating high energy beams in the present invention is shown in FIG.
この装置は加熱フィラメントまたは間接加熱陰極87か
ら得られる電子のビーム86を伝送する電子ガンである
。制御電極88はビーム電流および陽極89の電圧を調
節し、これによりビームの電子の速度を調節する。陽極
電圧とビーム電流の積はビームの電力である。※東コイ
ル9川ま独立してビームのスポットサイズを制御し、ビ
ームのスポットサイズが種々の電圧値に対して調整され
うるようにする。偏向コイル91はビームをその中立軸
位置から移動させ、物品92上の任意の点へ指向させる
。物品の平面の×,Y両方向にビームを偏向させるため
に4個のコイルが通常必要である。物品とガンは本質的
に同一の真空チャンバ93を共有する。{5) 最後に
、ビームの影響は物品の適正に溶融したゾーンから十分
に速い速度で除去されなければならず、物品の質量は溶
融ゾーンの体積に釣合わせられなければならず、物品金
属は、自己急冷を達成し、これにより金属間化合物の小
粒子または飽和固溶体を形成するために、適切な熱伝導
度を持つように選択されていなければならない。This device is an electron gun that transmits a beam 86 of electrons obtained from a heated filament or an indirectly heated cathode 87. Control electrode 88 adjusts the beam current and the voltage at anode 89, thereby adjusting the velocity of the beam electrons. The product of anode voltage and beam current is the beam power. *The nine east coils independently control the beam spot size, allowing the beam spot size to be adjusted for various voltage values. Deflection coil 91 moves the beam from its neutral axis position and directs it to any point on article 92. Four coils are typically required to deflect the beam in both the x and y directions of the plane of the article. The article and gun share essentially the same vacuum chamber 93. {5) Finally, the beam influence must be removed from the properly molten zone of the article at a sufficiently fast rate, the mass of the article must be balanced to the volume of the molten zone, and the article metal must be , must be selected to have adequate thermal conductivity in order to achieve self-quenching and thereby form small particles or saturated solid solutions of intermetallic compounds.
物品が鋳物でありかつビーム影響ゾーンが3.2欄(1
/8インチ)以下であるところのほとんどすべての場合
に、質量は適正に釣合わせられる。熱処理
この発明に係る表面熱処理の主目的は、非同素金属物品
の表面耐摩耗性または疲労寿命を物品の変形を最小にし
て改良することである。If the article is a casting and the beam influence zone is in column 3.2 (1
/8 inch) or less, the masses will be properly balanced in almost all cases. Heat Treatment The main purpose of the surface heat treatment according to the present invention is to improve the surface wear resistance or fatigue life of non-allotropic metallic articles with minimal deformation of the article.
これは、非集東ビームの操作または集東ビームの振動に
より、両方とも別個の合金剤を使用することなく、物品
の選択ゾーンを再溶融しかつ自己急冷することによって
達成される。この硬化機構は結晶および粒子の微細化で
ある。この結果として、過飽和固溶体の形成を容易にす
る急冷により固綾体の硬化も増大する。第7図に示すよ
うに、熱処理は典型的な非同素基金属を再溶融するため
に少なくとも10,000ワット/地の電力レベルを有
する商工ネルギビーム52を使用することによって行な
われる。This is accomplished by remelting and self-quenching selected zones of the article, either by operation of a non-focusing beam or by vibration of a focusing beam, both without the use of separate alloying agents. The hardening mechanism is crystal and particle refinement. As a result of this, the hardening of the solid hyaline also increases due to the rapid cooling which facilitates the formation of supersaturated solid solutions. As shown in FIG. 7, the heat treatment is performed by using a commercial energy beam 52 having a power level of at least 10,000 watts/ground to remelt typical non-allotropic metals.
ェネルギはビームに集中され、物品の不処理表面と接触
したとき、十分なヱネルギが界面ゾーン54を加熱して
溶融し、基金属はさらに大きな深さ5ふ典型的には約6
.4側(0.25インチ)まで溶融される。このような
ビームはしーザまたは電子ビーム装置53によって発生
することができる。ビームの移動速度を制御しかつ物品
56の質量をビーム影響ゾーン54に対して釣合わせる
ことにより、各ビーム影響ゾーンから高ェネルギビーム
を除去すると急冷が起こる。The energy is concentrated in the beam, and when it contacts the untreated surface of the article, sufficient energy is present to heat and melt the interfacial zone 54 and the base metal to a greater depth 5, typically about 6
.. Melted up to 4 sides (0.25 inch). Such a beam can be generated by a laser or an electron beam device 53. Quenching occurs when the high energy beam is removed from each beam influence zone by controlling the speed of beam movement and balancing the mass of the article 56 against the beam influence zone 54.
第1図はこの発明の好適な方法態様の一初期段階の略式
断面図である。
第2図は第1図の方法態様の次段階の略式断面図である
。第3図は第1,2図の段階の実施によって得られた生
成物の略式断面図である。第4図は第3図の4一4線断
面図である。第5図はオーバラップした多パスの結果を
示す第3図類似の断面図である。第6図は第一および第
三段階を同時に行なう別形態様を示す第2図類似の図で
ある。第7図は表面を合金化しなし、熱処理に向けられ
たこの発明の別形方法態様の略式断面図である。第8図
は第7図の方法による処理を受けた物品の一部分の拡大
図である。第9〜11図はこの発明において有用な各種
レーザ発生装置の略図である。第12図は物品にビーム
を指向させるためのレーザ集中装置の略図である。第1
3図は第1〜3図の方法と関連して使用しうるプラズマ
粉末被覆装置の一タイプの略図である。第14図はこの
発明の実施に使用しうる電子ビーム装置の一タイプの略
図である。10:合金層、11:基金属、12,13:
汝着機構、15:プラズマガン、16:ガスアークチャ
ンバ、19:アーク電力源、20:粉末送給器、22:
粉末子熱供給源、26:物品、28:アーク電力源、3
0:真空ポンプ、31:ガス流供給源、32:ビーム、
33:露出ゾーン、40:焦点、61:ガス流回路、6
2:ブロワ、63:熱交換器、64,65:電極、66
,67:ミフー、68:ガス流、69,70:電極、7
1:ミラー、72:電子ビーム、73,74:電極、7
6:膜、77,78:ミラー、79:レーザビーム、8
1:物品。
上IL ・.1.」工L ‐三三.
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11 」.11.
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1 1」 1.1こ三.
」 ユ」 ’.L二壬.FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one initial stage of a preferred method embodiment of the invention. 2 is a schematic cross-sectional view of the next step in the method embodiment of FIG. 1; FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the product obtained by carrying out the steps of FIGS. 1 and 2. FIG. 4 is a sectional view taken along line 4-4 in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view similar to FIG. 3 showing the result of overlapping multiple passes. FIG. 6 is a diagram similar to FIG. 2 showing another embodiment in which the first and third steps are performed simultaneously. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an alternative method embodiment of the present invention in which the surface is not alloyed and is directed to heat treatment. FIG. 8 is an enlarged view of a portion of an article treated according to the method of FIG. 9-11 are schematic diagrams of various laser generators useful in the present invention. FIG. 12 is a schematic diagram of a laser concentrator for directing a beam onto an article. 1st
FIG. 3 is a schematic diagram of one type of plasma powder coating equipment that may be used in conjunction with the method of FIGS. 1-3. FIG. 14 is a schematic diagram of one type of electron beam apparatus that may be used in the practice of this invention. 10: Alloy layer, 11: Base metal, 12, 13:
attachment mechanism, 15: plasma gun, 16: gas arc chamber, 19: arc power source, 20: powder feeder, 22:
powder child heat supply source, 26: article, 28: arc power source, 3
0: vacuum pump, 31: gas flow source, 32: beam,
33: exposure zone, 40: focal point, 61: gas flow circuit, 6
2: Blower, 63: Heat exchanger, 64, 65: Electrode, 66
, 67: Mihu, 68: Gas flow, 69, 70: Electrode, 7
1: Mirror, 72: Electron beam, 73, 74: Electrode, 7
6: Film, 77, 78: Mirror, 79: Laser beam, 8
1: Goods. Upper IL ・. 1. ”Eng.L-33. ”L.I. Three. 1. ,. Kusei. 1 1,. Thirty-three. Uni - White.・[-U2 1 ・1-Eyo-"1" ・.Three-yo. [1L I.↓□. 11". 11. ”1 [ ,.・Three-three. 1 1” 1.1 three. ``Yu'''. L Erin.
Claims (1)
の物理的性質を向上するために処理する方法であつて、
(a)少くとも0.25cal/cm・sec・℃の熱
伝導度を有する前記物品用非同素金属を選択する段階、
(b)高エネルギビームを前記物品の露出領域に指向さ
せ、前記物品をビーム影響ゾーンにおいて加熱すると共
に該ビーム影響ゾーン内の溶融ゾーンにおいて前記物品
を所定深さまで溶融する段階にして、前記ビームは前記
物品との界面において少くとも10,000ワツト/c
m^2のエネルギを与える段階、(c)前記物品に高エ
ネルギビームを指向させる前又はそれと同時に溶融合金
成分を前記溶融ゾーンにその溶融金属と混合させるべく
導入する段階にして、前記合金成分は金属間化合物を有
する固溶体を前記非同素金属と生成すると共に析出物粒
子を生成するように該非同素金属に対する親和力を有す
る材料からなつており、且つ前記導入される合金成分は
該合金成分対前記溶融ゾーンにおける溶融非同素金属の
比が1:1〜1:10の範囲内にあるように釣合わされ
ている段階、(d)前記ビーム界面の面積、ビームのエ
ネルギレベル、および前記物品に沿う前記ビームの変位
速度を制御し、前記ビーム影響ゾーンを所定体積に限定
して該ビーム影響ゾーンの所定急速加熱速度を確保する
段階、及び(e)前記物品の質量を前記ビーム影響ゾー
ンの体積に対して釣合わせて該ビーム影響ゾーンから前
記ビームの影響が除去されたときに該ビーム影響ゾーン
の自己硬化急速冷却速度を与え、それによつて少くとも
前記溶融ゾーンにおいて微粒の固溶硬化組織と微細析出
物粒子を生成させる段階、を包含する前記方法。 2 特許請求の範囲第1項記載の方法において、凝固前
に前記溶融合金成分を前記溶融ゾーンの中へ完全に混合
するために溶融金属の乱流状態を促進すべく前記ビーム
の前記物品との界面および前記溶融ゾーンの深さがそれ
ぞれ制御されることを特徴とする方法。 3 特許請求の範囲第1項記載の方法において、前記金
属物品はアルミニウム又はアルミニウム合金からなるこ
とを特徴とする方法。 4 特許請求の範囲第3項記載の方法において、前記物
品の前記ビーム影響ゾーンより下の部分は、該ビーム影
響ゾーンの深さの少くとも5倍の厚さを有していること
を特徴とする方法。 5 特許請求の範囲第1項記載の方法において、高エネ
ルギビームは可視光線と同様に制御される線からなつて
おり、前記ビームは前記露出領域表面の平面から外れた
焦点を有しており、それにより前記ビームの前記領域と
の界面の面積が少くとも0.02mm^2(0.000
03平方インチ)であるように制御されていることを特
徴とする方法。 6 特許請求の範囲第1項記載の方法において、前記ビ
ームは中断されたビーム影響ゾーンを達成するか又は前
記溶融ゾーンの制御された所定深さに影響を及ぼすよう
に脈動されることを特徴とする方法。Claims: 1. A method of treating selected exposed regions of a non-allotropic metallic article to improve the physical properties of the exposed regions, comprising:
(a) selecting a non-allotropic metal for the article having a thermal conductivity of at least 0.25 cal/cm·sec·°C;
(b) directing a high-energy beam onto an exposed area of the article, heating the article in a zone of beam influence and melting the article to a predetermined depth in a melting zone within the zone of beam influence; at least 10,000 watts/c at the interface with said article
(c) introducing a molten alloy component into the melt zone to mix with the molten metal prior to or simultaneously with directing the high-energy beam at the article, wherein the alloy component is The material is made of a material having an affinity for the non-allotropic metal so as to form a solid solution having an intermetallic compound with the non-allotropic metal and to form precipitate particles, and the introduced alloy component has an affinity for the non-allotropic metal. (d) adjusting the area of the beam interface, the energy level of the beam, and the article; (e) controlling the rate of displacement of the beam along the beam to confine the beam influence zone to a predetermined volume to ensure a predetermined rapid heating rate of the beam influence zone; and (e) reducing the mass of the article to the volume of the beam influence zone. providing a self-hardening rapid cooling rate of the beam-influenced zone when the influence of the beam is removed from the beam-influenced zone in proportion to the molten zone, thereby forming a fine-grained solid solution-hardened structure in at least the molten zone. producing fine precipitate particles. 2. A method as claimed in claim 1, in which the beam interacts with the article to promote turbulent conditions in the molten metal to thoroughly mix the molten alloy components into the molten zone prior to solidification. A method characterized in that the depth of the interface and the melting zone are each controlled. 3. The method according to claim 1, wherein the metal article is made of aluminum or an aluminum alloy. 4. A method according to claim 3, characterized in that the part of the article below the beam influence zone has a thickness at least five times the depth of the beam influence zone. how to. 5. The method of claim 1, wherein the high-energy beam consists of a controlled line similar to visible light, said beam having a focus out of the plane of the surface of said exposed area; Thereby the area of the interface of the beam with the region is at least 0.02 mm^2 (0.000
0.03 square inches). 6. A method according to claim 1, characterized in that the beam is pulsed to achieve an interrupted beam influence zone or to influence a controlled predetermined depth of the melting zone. how to.
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